（机械电子工程专业论文）汽车换档器综合性能测试试验台三轴联动机构的设计与控制.pdf

上海大学倾上学位论文 摘要 随着汽车制造业的研i 断发展，制造分工细化，汽车换档器的制造已经 与变速器分开，进行专业化牛产。由此推动了汽车换档器性能测试设备的 研发。 在具体设备的开发过程中，关键问题在于设计出合理的机构来模拟驾 驶者的换档操作，使被测换档器完成测试要求动作。 本文设计了一种三轴联动机构，其利用直角坐标机器人的结构原理， 能够很好地带动被测换档器手柄完成三维球面运动。整套机构采用电力驱 动，通过伺服电机带动滚珠丝杠副完成水平方向上的二维运动，同时垂直 方向上依靠导向机构提供升降的自由度来得到联动效果，达到简化机构， 节约成本的目的。机构采用满足实时监控要求的p l c 进行控制。同时，机 构提供被测换档器的档位示教和空档位置自校功能，极大地缩短了试验准 备时问。 与其他方式相比，应用这一方法设计制造的汽车换档器实验设备结构 简单、技术成熟、制造与维护成本较低并且完全可以满足测试精度要求。 关键词：汽车换档器性能测试设备，换档操作运动，直角坐标机器人 p l c 控制 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n ds p e c i m t yo fa u t om a n u f a c t u r e ，v e h i c l e s h i f t e rp r o d u c i n gh a sb e e ns e p a r a t e dw i t ht r a n s m i s s i o n t h i sb r i n g sf o r w a r dt h e n e e df o ri n s t r u m e n t su s e di nv e h i c l es h i f t e rt e s t i n g d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fav e h i c l es h i f t e rt e s t i n gi n s t r u m e n t ，t h e s t i c k i n gp o i n ti sd e v e l o p i n gar e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o nt os i m u l a t i n gad r i v e r s o p e r a t i o no nt h es h i f t e rh a n d l e i nt h i s p a p e r , a3 - s h a f tl i n k a g em e c h a n i s m ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo f r e c t a n g u l a rc o o r d i n a t er o b o t ，i si n v e s t i g a t e d i tc a r ld r i v et h es h i f t e rh a n d l e t e s t e dt o c o m p l e t e t h er e q u i r e d3 - ds p h e r em o t i o n i nt h i s s y s t e m ，2 - d m o v e m e n ti nh o r i z o n t a lp l a n ei sr e a l i z e db yt w ol i n e a rm o v i n gm o d u l e sm a d e u po fs e r v o - m o t o ra n dp r e c i s i o nb a l ls c r e w r e c t i l i n e a rm o t i o ni nv e r t i c a li s g u i d e db yas l i d i n gp a i r t h ew h o l es y s t e mi sc o n t r o l l e db yah i 曲q u a l i t yp l c s y s t e mw h i c hc a l ls a t i s f yr e a l t i m em o n i t o rr e q u i r e m e n t t h em e c h a n i s m s u p p l i e st e a c h i n g a n da u t o m a t i cn e u t r a l p o s i t i o nc h e c k i n gf i m c t i o n t h i s e x t r e m e l ys h o r t e n st h ep r e p a r i n gt i m eo ft e s t i n g c o m p a r ew i t ho t h e rm o d e s ，v e h i c l es h i f t e rt e s t i n gi n s t r u m e n tb a s e do nt h i s m e t h o dt a k e sa d v a n t a g ei ns i m p l i c i t y , l o wc o s ta n dh i g hc r e d i b i l i t y f u r t h e r m o r e i tc a nc o m p l e t e l ym e e tt h et e s t i n gp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：v e h k l es h i f t e rt e s ti n s t r u m e n t ，m o t i o na n a l y z eo fs h i f t e r o p e r a t i o n ，r e c t a n g u l a rc o o r d i n a t er o b o lp l c c o n t r o l v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：一c f 以幻 日期： 本论文使用授权说明 地7 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 当：壁垫导师签名： 酶吼乒业 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 作为汽车与人之间的交互接口之一，汽车换档器i l l 的质量关系到对车辆的平 稳控制，进而影响车辆使用寿命，燃料损耗，甚至乘员的生命安全。故此，对于 换档器的设计制造有着极高的寿命和可靠性要求，每一批换档器出厂前都要经过 极其严格的性能检测。 本课题原属某汽配生产厂家的委托研发项目中的关键部分，该项目要求研制 出适用于各类汽车换档器出厂前的性能检测设备，被测换档器能够在该设备上完 成诸如高低温疲劳寿命试验、行程间隙测试、内摩擦和效率测试、力行程测量和 极限负荷测量等性能测试试验，并能取得相关的测试数据，判断产品的合格与否。 1 2 课题的研究目的与意义 过去，汽车换档器是作为汽车变速器的一部分，在与后者装配完成后统一测 试的【舶。但随着汽车制造业的分工细化，汽车换档器已经专业化制造。由此提出 了对换档器制造完成后进行独立测试的要求1 3 j 。 就目前国内而言，由于缺乏原始制造经验与数据积累，对于换档器的检验标 准都借鉴国外先进国家行业标准或大型企业标准，相应检测设备开发落后，使得 生产厂家或是将成品送到国外检验，或是购置国外检测设备进行检验。但随着汽 车市场竞争的日益激烈，对缩短产品设计一制造一检验周期、压缩生产成本提出 了更高的要求，上述两种方式显然有其缺陷。 本课题所在的项目旨在运用现有成熟技术，在保证能够取得高精度的检测数 据的基础下，研发出制造成本低、易于维护保养的测试设备。本课题旨在完成该 设备的关键部分，即设计简单合理的机构来模拟出实际驾驶者的换档操作，驱使 被测换档器完成测试要求的动作，并能够在一定的位置采集检测要求的数据。 上海人学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 汽车换档器的结构组成与工作原理 汽车换档器虽然有手动、自动及手自一体的分类，但组成与总体结构以及工 作原理是一样的。常见换档器都由手柄( 也称变速杆、换档杆) 、支座与面板、 电磁器件与传动机构等部分的组成，见表卜1 ： 表卜l 换档器的组成部份及相应作用 编号组成部分作用 ，_ 刈 k：星 1 手柄( 变速杆、驾驶者的操作对象 换档杆) 2 面板档位显示，界面隔离作用 3支座换档器各零件的安装支架 、 4电磁器件 各种辅助功能( 如档伉自锁) 蹦 5传动机构将手柄的运动传递至变速器， 。画 通常为拉索或是连杆机构，传 动机构与变速器的连接端也 称换档器的负载端 汽车换档器的工作原理如图1 - 1 。驾驶者通过拉动手柄，进而带动连杆机构 或是其他传动机构( 如拉索等) 拨动换档叉，使其与相应档位的齿轮接触，从而 改变差速器轴转速或是旋转方向( 倒车档) 。 图1 - 1 汽车换档器控制变速器的工作原理 汽车换档器是一个将输入力线性放大并改变方向的机构。放大比率与结构及 2 上海大学硕士学位论文 汽车换档器是一个将输入力线性放大并改变方向的机构。放大比率与结构及 材料等固有特性有关，分别称为换档比及选档比。这在之后的第六章中将会展开。 1 3 2 汽车换档器的性能要求与测试项目 换档器的性能要求包括：有较长的使用寿命；档位切换顺畅；在高低温环境 下变形小，不会发生胀紧、卡死现象；手柄在各档位切换到位后不会滑出；传动 效率高( 内摩擦较小) ；倒车档需要特殊操作才能入档等。 由此相应，就一般而言，换档器的性能测试项目主要包括： 疲劳寿命的测试。即模拟实际行车状态，使换档器手柄按照预定换档轨 迹动作一定次数，校验疲劳寿命。 极限状态下的性能测试。即对换档器施加各类极限条件，检测换档器在 极限状态下的运行可靠性。 其他性能指标的检测。例如手柄在某一位置时的行程间隙；换档器整体 的传动效率等。 有关测试项目的具体内容，会在第二章中详细介绍。 1 3 3 汽车换档器的人体功效学要求 作为汽车人机接口的一部分，汽车换档器的设计必须与人的操作习惯相适 应，满足一定的人体功效学要求1 4 ，这些要求主要涉及换档器工作时换档器手柄 端部操纵力的大小，换档器的结构尺寸与运动范围| 5 i 。 汽车换档器手柄的操纵力一般设计在2 0 1 4 0 n ，且操作越频繁，操作力越小。 对于手动换档器的手柄操纵力都设计在3 0 - - , 5 0 n 。 汽车换档器手柄的直径一般设计在2 2 3 2 r a m ，球头直径应适应人的手心大 小，一般为3 2 m m 或以上。 汽车换档器应适应人的手臂特点，尽量做到只用手臂运动、不用身躯移动就 可完成动作，故对于长度为1 5 0 m m 一2 5 0 m m 的手柄，其行程在1 5 0 m m 2 0 0 m m 之内，左右角度偏转 4 5 。，前后角度偏转 3 0 。 上海大学硕士学位论文 1 3 4 国内外研究概况 就目前而言，汽车换档器的专用测试设备的开发还处于起步阶段，设备简单 且功能单一，如图1 2 中所示的汽车换档器的寿命测试设备，其以杠杆结构为基 础，利用气压驱动，只能完成换档器的疲劳寿命实验。 图1 - 2 汽车换档器的寿命测试设备 国内部分大型汽配制造商已经开始与高校或是各类研究机构合作，加紧对这 类产品开发与研制，但目前还类似产品相关研发的文献或报道还比较少，有论文 介绍了以气压驱动的直角坐标结构为基础的换档器试验设备i “。 一般的大型汽车制造商利用通用工业机器人1 7 i 来进行试验：通过对机械臂的 运动轨迹示教编程嘲，也确实能够很好地完成对换档操作运动的模拟。由于机器 人可直接购买现有产品，以此为基础的试验系统设计更为简单。并且适应性、互 换性强，机构简练，可靠性好。但是成本较高。 现在，很多汽配制造企业开始兴起运用计算机模拟来进行换档器或是其他 零、部件的寿命或力、运动学实验i 训。但这一方式必须建立在通过实验积累大量 实际数据进行精确建模的基础之上【忡l 。对于国内的汽配制造企业，这方面的积累 4 上海大学硕士学位论文 不够充分，在自主设计类似产品时，仍需要通过实际测试来验证产品的可靠性。 故此，本课题的研究成果，对于增强国内汽车配件自主设计能力，提高国内 汽配制造厂家的竞争能力来说，还是有较强现实意义的。 1 4 论文的主要研究内容 本课题的主要任务在于设计出能够模拟出驾驶者换档操作的合理机构，来驱 动被测换档器完成测试所要求的规定动作。另外根据测试要求制定出合理的控制 方案。 本论文的主要章节按照相应的内容进行编排： 第二章：确立具体方案。在深入分析汽车换档器测试项目与内容的基础上确 立测试设备的总体方案。 第三章：相关机构的设计。对照测试试验要求和测量方式，设计与换档操作 运动模拟机构密切相关的配套机构。 第四章：换档操作运动模拟机构的结构设计与校核。包括对换档操作模拟机 构的运动学与力学分析，以及相应的结构设计与校核。 第五章：控制系统设计。选取合适的控制方式，完成硬件电路的设计，编制 换档操作运动模拟机构的控制程序。 第六章：进行试运行试验，检验所设计的机构是否满足使用要求，并对实验 结果进行了探讨。 1 5 小结 作为绪论，本章介绍了课题的来源、研究目的和意义、研究内容以及论文的 章节划分。本课题在汽车产业的运用上有相当的应用前景，同时，由于目前国内 还缺少类似产品的研制开发，本课题对今后后类似产品的深化研究或优化设计具 有指导意义。 5 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章试验台的总体设计方案 在开始设计之前必须全面了解与分析其所要完成的具体功能与设计要求。本 章全面分析了汽车换档器的试验项目与具体内容，归结出所要设计的测试设备的 功能及技术要求，从而完成总体方案的确立工作。 2 2 汽车换档器的测试项目与具体内容 上一章已经简要提及了汽车换档器的一般测试项目，本节就此作进一步展 开。汽车换档器的性能测试项目主要包括：寿命试验、行程间隙测量、力行程 测量、极限负荷测试、内摩擦与整体效率测 1 3 5 试等。 空档位置是汽车换档器不受变速器约束 的位置，通常测试时就以该位置为试验动作 的默认初始位置。 为了便于对试验内容的说明和理解，以 图2 - 1 所示的汽车换档器为例，给出两个个关 于汽车换档器操作的常用术语： 换 档 方 向 l 2 空档 5 6 24 6 ( r ) 选档方向 图2 - 1 换档方向与选档方向 换档方向：换档器手柄切入档位的方向，平行于汽车前进方向； 选档方向：选择档位的方向，与换档方向水平正交。 2 2 1 寿命试验 寿命试验用以检验汽车换档器整体或各部分的可靠性。试验结束后可以通过 目视观察换档器的磨损、变形或破坏状况判定被测换档器是否合格。表2 1 归纳 了寿命试验的试验项目及具体内容： 6 上海大学硕士学位论文 表2 - 1 汽车换档器寿命试验项目 试验项目试验条件试验方法设备的功能要求 换档器负载1 克服负载阻尼，带动被测换档1 温度变化控制； 端施加并保器进行换档操作，即走完所有2 能够保温； 持一定的阻档位；3 在换档器负载端 尼力； 2 反复进行一定次数；有装置提供力，且 整体寿命倒车档解锁。3 试验结束后检查换档器。力的大小可以调 试验 使 1 在手柄端部施加并保持一定 节； 被 负载端悬空大小的力带动被测换档器进 4 在换档器的手柄 测 或固定；行换档操作；端有装置提供可 换 倒车档解锁。 2 反复进行一定次数； 以调节大小的力： 档 3 试验结束后检查换档器。5 在换档器的手柄 器 负载端悬空；1 在手柄端施加一定的力，往切 端有装置提供扭 倒档闭锁 处 保持换档器入倒车档的方向推手柄； 矩，且扭矩方向可 功能寿 于 命试验 倒车档自锁。2 反复进行一定次数； 以变化，变化频率 定 3 试验结束后检查换档器。 和扭矩大小可调： 的 负载端悬空；1 在手柄端施加一定的力，推动 6 能够推动换档器 支座寿 温 保持换档器手柄移动至极限位置； 手柄自动完成试 度 倒车档自锁。2 在极限位置保持力作用一段 验动作： 命试验 时间； 7 具备示教和再现 环 境 3 反复进行一定次数； 功能，使试验动作 内 4 试验结束后检查支座。 多次重复； 负载端悬空；1 在手柄端施加一定的扭矩，推 8 有装置保持倒车 手柄旋手柄处于空动手柄旋转； 挡处于解锁状态。 转寿命档档位。2 按一定频率改变扭矩方向，反 试验复进行一定次数； 3 试验结束后检查手柄。 2 2 2 行程间隙测量 行程间隙指的是由于制造误差或是设计需要( 例如为热胀冷缩所预留的变形 空间) ，在各档位位置以及空档位置处，手柄与支座连接预留的活动空间。即在 手柄不受力或受很小的力时，手柄能够自由活动的空间。行程问隙必须控制在一 定范围之内，否则极易引起误操作。这一试验就是为了测量制造完成后实际被测 换档器的行程间隙。手柄行程间隙测量通常包括换档、选档方向的行程间隙测量 以及手柄旋转间隙测量。表2 2 归纳了行程间隙测量的试验项目及具体内容： 7 上海大学硕士学位论文 表2 - 2 汽车换档器的行程间隙测试项目 试验项目试验条件试验方法设备的功能要求 1 将手柄运动到测试的档位位置；1 能够带动换档器 换档、选档 2 在手柄端施加微小的力，使手柄手柄慢速运动； 方向的行 在换档选档方向上运动；2 能够测量手柄运 程间隙测室温环境； 3 测量手柄在该档位运动的最大动的位移和角度。 量负载端悬空； 距离并记录； 一次试验，或 4 将手柄运动到下一个测试的档 是试验多次 位位置。 后进行数据 1 将手柄琏动到测试的档位位置； 处理。 2 在手柄端施加微小的扭矩，使手 手柄旋转 柄旋转； 3 测量手柄在该档位旋转的最大 间隙测量 角度并记录； 4 将手柄运动到下一个测试的档 位位置。 2 2 3 力一行程测量 这一试验是为了提取汽车换档器正常工作时力与位置的一一对应关系，即依 次记录下换档器手柄运动时的各个位置上手柄端与负载输出端上的实际受力情 况。为后续设计工作或技术报告等提供可靠数据。对于一些以下压方式切入倒车 档的换档器来说，还需要增加垂直方向力与行程的测量。汽车换档器力行程测 量的具体项目归纳见表2 - 3 ： 表2 - 3 汽车换档器的力行程测量项目 试验项目试验条件试验方法设备的功能要求 换档，选档 负载端 1 克服负载阻尼，带动被测1 能够带动换档 方向的处于一定的 施加并 换档器进行换档操作；器手柄运动； 力行程测温度条件 保持一 2 一边运动，一边测量手柄2 能够测量手柄 定的阻 端的牵引力；运动的位移和 量r ； 尼力 3 根据记录的数据绘制力相应位置的受 一次试验，行程曲线图力； 或是试验多 1 在空档位置将手柄下压； 3 负载端受力可 垂直方向次后进行数 2 一边运动，一边测量手柄 调； 上的力行据处理。 负载端 悬空：； 端的下压力：4 自动绘制力行 程测量3 根据记录的数据绘制力程曲线图。 行程曲线图 上海大学硕士学位论文 2 2 4 极限负荷测试 极限负荷测试用来验证汽车换档器在极限负荷下的可靠性，观查换档器在收 到极限力境况下的变形状况。除了针对手柄的极限负荷测测量之外，还必须检测 倒车档闭锁机构的极限负荷。汽车换档器极限负荷测试的具体项目归纳见表2 4 ： 表2 - 4 汽车换档器限负荷测试项目 试验项目试验条件试验方法设备的功能要求 1 在手柄上施加极限力，带动被 1 能够带动换档 测换档器运动到极限位置；器手柄运动； 极限负荷 处于 负载端固2 在该位置保持手柄力大小、方2 在换档器的手 一定 测试定。向不变一段时间；柄端有装置提 的温 度条 3 测得手柄的变形；供可以调节大 件下； 4 判断是否合格。小的力： 倒车档闭 一次 负载端悬1 在手柄上施加极限压力，将手3 能够测量手柄 锁功能测 试验 空： 柄下压，并保持一段时间； 运动的位移。 完成。 保持换档2 测得手柄的垂直方向上的位 试 器倒车档移； 自锁。3 判断是否合格。 2 2 5 内摩擦和效率测试 内摩擦与效率测试用于测量汽车换档器的实际内部摩擦的大小以及传动效 率。包括总成内摩擦测试、绳索传动装置内摩擦测试以及总成效率测试。 表2 - 5 汽车换档器内摩擦和效率测试的测试项目 试验项目 试验条件试验方法设备的功能要求 换档器总 处于一换档器不1 带动换档器手柄在换档选档1 能够带动手 成内摩擦 定的温接传动机方向上作匀速运动；柄作匀速的 度条件构。2 当手柄运动到特定位置时测换档操作； 测试 下；出所受的力。2 能够测得手 传动装置 保持换安装传动1 带动换档器手柄在换档选档柄受力； 内摩擦测 档器倒 机构，负方向上作匀速运动；3 能够测得负 车档自载端悬2 当手柄运动到特定位置时测载端的受力； 试 锁空。 出所受的力。 4 自动换算传 一次试 换档器负1 克服负载阻尼，带动被测换档 动效率。 换档器总 验完 载端施加器进行换档操作； 成效率测 成。 阻尼力。2 一边运动，一边测量手柄端的 试 牵引力及相应得负载力； 3 根据传动比，计算换档器效率 9 上海大学硕士学位论文 通常以换档器手柄从空档位置向换档和选档两方向上在一定范围内位移时 手柄端部所测得的最大受力为内摩擦力。由于结构设计与材料选用的差异，不同 换档器的测试范围也不相同。汽车换档器内摩擦和效率测试的测试项目见表2 5 。 2 3 测试设备的功能要求 通过对试验项目进行分析，我们不难得出这台测试设备的主要功能要求： 1 能够完成对驾驶者换档操作运动的模拟，驱动被测换档器完成一定的试 验动作。 2 结构简单、制造及维护方便，精度较高、可靠性好。 3 扩展性好，在添加或去除小部分部件的基础上，能够适应大多数不同类 型换档器的安装与测试需要。 4 温度、湿度的设定与控制。要求确保试验时换档器处于设定的温度范 围内。具体变化参数可以人工设定。 5 在负载端需设计一定的机构模拟实际装车时变速箱对换档器的阻尼。 6 试验时，被测换档器的安装状态要与实际装车情况一致。 7 数据采集与记录。能够实时地采集与记录力、位移、角度等参数。 8 对试验信息的设定与记录。如对试验次数的设定、试验开始时间、结束 时间、试验动作完成的次数等等。 9 人机界面良好、易于操作。 1 0 安全。包括行程限位、出错停止、人员保护等。报警时为声光报警。 2 4 总体设计方案 2 4 1 试验设备的机构组成 根据功能要求，确立整套设备的组成如图2 - 2 所示，包括试验台、压缩机和 控制柜三大部分。 1 0 上海大学硕士学位论文 图2 - 2 试验设备组成 试验台用以放置换档器进行试验，是设备的关键部分，其方案见图2 3 。压 缩机提供试验要求的温度，控制柜用以放置控制设备。 图2 - 3 换档器试验设备试验台的组成 上海大学硕士学位论文 对于换档动作模拟机构，参考直角坐标机器人的设计原理i “j ，设计为三轴联 动机构。通过控制三个正交方向上的位置变化来控制手柄端的运动，来完成对换 档操作的模拟1 1 5 i 。具体方案见章节2 4 3 。 换档器安装夹具能将汽车换档器按实际装车状态安装。其可在前后、左右、 上下、水平旋转、垂直旋转五个自由度上调节，最大满足不同类型汽车换档器不 同安装方式的需要。 高低温试验箱由主箱体、副箱体、顶盖、端盖等四部分组成。主箱体固定在 换档器综合实验台架的底座上，里面安装换档器安装夹具。利用可移动的副箱体 用来接长高低温实验箱，以适应不同长度的传动机构的安装需要，同时减小保温 箱尺寸，也就减少了能耗。 阻尼机构用以模拟实际操作时汽车对换档器拉索负载端所受到的阻尼，并带 有拉压力传感器和位移传感器来满足测试需要。通过调节阻尼机构的安装支架可 使阻尼机构在一定范围内和方向上调节移动，来模拟实际装车位置。 2 4 2 试验设备的控制方案 试验设备的控制o “i 主要包括三轴联动机构的运动控制以及高低温的变温控 制。控制系统采用上下位机的控制方式，包括工控机、p l c 以及温度控制器。三 者间采用r s 2 3 2 通讯，见图2 - 4 。 温度传感器将测得的高低温试验箱内的温度值传递给温度控制器，由温度控 制器根据要求控制压缩机改变高低温试验箱内的温度，形成闭环控制。 p l c 采集手柄端部切向力数据以及阻尼机构的输出力与位移数据，并根据实 际需要，带动电机驱动器进行位置速度控制，使三轴联动机构带动被测换档器 完成试验动作。伺服电机自带编码器，与驱动器构成半闭环回路1 7 i 。 人机接口采用工控机以及按钮操作箱。工控机起到输入实验时的各种参数 ( 包括试验总次数、换档器尺寸参数等) 以及实验时的监控作用( 包括传感器输 出值、手柄端部力一位移曲线、试验次数统计、错误报警信息等) 。按钮操作箱用 于现场操作。 1 2 上海大学硕士学位论文 控制系统 底层机构 工控机 按钮操作箱 r s 一2 3 2 c i l j 温度控制器 i h i ，、i 。p l u i - f l 绝档方向ii 选档方向上上上上上 力力 位 压 温 蛐蛐 传 传移缩度 感巷 传机 侍 器器 感感 器器 tt1 - 一 弋 弋。 i lfi 高低温 三轴联动动机构 阻尼机构 试验箱 l 。l 被测换档爨 图2 4 试验设备的控制方案 2 4 3 三轴联动机构的设计方案 根据前面对换档器试验项目的分析，由于有定位及运动控制要求，因此机构 采用电驱动方式。对于一些只要求作下压、扭转等简单动作的试验，如倒车档闭 锁试验、手柄旋转测试等，可利用专用附件来完成试验。如此减少了对换档操作 运动模拟机构的功能要求，从而使其结构更为简洁。 三轴联动机构包括换档、选档方向的运动机构，垂直方向的导向机构以及连 接手柄的手柄抓手。 对于换档方向和选档方向，由于需要精确的定位及运动控制i 秘i ，故采用两套 伺服电机带动滚珠丝杠机构得到直线运动。同时，利用伺服电机本身的行程跟踪 上海大学硕士学位论文 功能可以简化示教程序的编写。 垂直方向上有关的一些试验可另行设计附件机构来完成，不需要精确定位以 及测量，所以选用直线轴承和导轨提供导向功能。在实际运行时，由于被测换档 器手柄的约束，垂直导向机构与换档、选档方向运动机构处于联动状态。 在手柄抓手上互相垂直地安装两个精密拉压力传感器，用于测量换档器手柄 上的切向力。三轴联动机构的方案见图2 4 。 2 5 小结 图2 - 4 三轴联动机构的设计方案 本章详细介绍了汽车换档器的一般试验项目及其具体内容，明确了对测试设 备的功能要求和技术要求并提出了设计方案。 该方案有如下特点和优点： 1 试验台可模拟各种汽车换档器的实际安装状况； 2 试验台可以模拟汽车换档器的实际情况提供负载力和手柄力； 3 三轴联动机构采用电驱动，可以模拟驾驶者对汽车换档器的换档、选档 操作； 4 试验台可以提供试验需要的变温环境。 1 4 上海大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章关联机构的设计 为了完成汽车换档器的测试试验，除了用于模拟驾驶者换档操作的三轴联动 机构之外，还要依靠其他机构的共同配合。主要是模拟换档器实际安装情况的换 档器安装夹具和阻尼机构；还有试验时确保温度环境的高低温试验箱。本章将对 这些机构作介绍。 3 2 换档器安装夹具的设计 换档器安装夹具用于被测汽车换档器的安装固定，防止其在试验过程中发生 的震动或翻倒。同时，在被测换档器安装完成后，安装夹具可提供前后、左右、 上下、水平旋转和垂直旋转五个自由度的大范围调整，使被测换档器与实际安装 状态保持一致。 换档器安装夹具由水平移动机构、垂直升降机构、水平旋转机构和垂直旋转 机构等组成。它们分别独立，可根据实际需要增减。其结构组成见图3 - 1 。 水平移动机构由两块板组成，每块板上各加工两条梯形槽，通过与梯形螺栓 螺母的配合提供水平调节时的导向。安装时，调整到合适位置后拧紧螺母即可。 水平旋转机构由上下两块平板组成，两块平板中心由旋转轴联结，上板上加 工有两条弧形槽，通过螺栓与下板联结。安装时，旋转上板调整至所需角度后拧 紧螺栓即可。 垂直升降机构为叉形机构，叉形连杆可在两侧的滑槽中滑动，通过转动手轮， 带动丝杆转动，丝杆通过螺母推动叉形连杆在滑槽中滑动使得机构上下升降。安 装时，到达所需位置后拧紧两侧锁紧螺母即可。 垂直旋转机构由上下两块安装板、可作旋转的支架和两组固定连接板组成， 松开固定连接板的螺栓，安装时，调整到指定转角后拧紧固定连接板螺栓即可。 1 5 上海大学硕士学位论文 水平旋转机构 水平移动机构 图3 1 换档器安装夹具的组成 换档器安装夹具的尺寸参数与调整范围见表3 - 1 ： 表3 - 1 换档器安装夹具的主要性能参数 项目 参数 整体最小尺寸 4 6 0 r a mx4 3 0 r a mx 3 3 6 m m 水平调：宵范围前后：o , - - l o o m m ；左右：o - - l o o m m 垂直调节范同 1 4 0 m m 水平旋转调：再范围 士3 5 。 垂直旋转调节范围 士2 5 。 本换档器安装夹具可作五个自由度的调整，且结构紧凑、简单。操作方便。 机构已经申请了实用新型专利，专利名称：用于汽车换档器总成性能测试的五自 由度安装装置，专利号；z l - 2 0 0 5 2 0 0 4 4 9 8 0 1 。 3 3 阻尼机构的设计 阻尼机构用以模拟实际操作时汽车对换档器负载输出端所受到的阻尼。根据 作用的不同分为换档阻尼和选档阻尼两套机构。两套机构完全相同，阻尼机构包 括阻尼缸、滑动块、拉压力传感器、直线导轨、位移传感器和拉压力传感器隔离 1 6 上海大学硕士学位论文 块等等。其组成见图3 - 2 。 位 图3 - 2 阻尼机构的组成 阻尼缸提供阻尼力，阻尼缸的两个调节旋纽可调节拉压的阻尼力大小。两个 滑动块之间装有拉压力传感器，两个滑动块装在直线导轨上，并与阻尼缸连接。 当拉( 推) 动滑动块时，通过拉压力传感器和另一块滑块拉( 推) 动阻尼缸获得 阻尼力。同时拉压力传感器输出拉压力电信号。此外，根据被测对象的不同，可 以通过替换相应的拉压力传感器来确保测量结果的精确性。在滑动块的一侧连接 有位移传感器，当滑动块移动时，位移传感器同步输出位移电信号。 阻尼机构的安装支架结构类似于换档器安装夹具，用以在一定范围内调节阻 尼机构的摆放位置，使被测换档器的负载输出端与实际装车位置相符。 阻尼机构的主要性能参数见表4 2 ： 表3 - 2 阻尼机构的主要性能参数 项目参数 换档方向：1 0 0 0 n ，精度：0 0 5 级： 阻尼力 选档方向：5 0 0 n ，精度：0 0 5 级。 设计行程7 0 i m 位移传感器1 0 0 m m ，精度：0 2 m m 换档方向：1 0 0 0 n ，精度：o 0 5 级； 拉压力传感器 选档方向：5 0 0 1 4 ，精度：0 0 5 级。 本机构已经申请了实用新型专利，专利名称：用于汽车换档器总成性能测试 上海大学硕士学位论文 的阻尼装置，专利号：z l - 2 0 0 5 - 2 - 0 0 4 5 3 9 7 2 。 3 4 高低温试验箱的设计 为了适应不同汽车换档器的种类规格，以及换档器总成后其传动机构的长短 差异，因此需要设计合适的高低温试验箱。试验箱按照多箱体拼接的思路进行设 计，组成见图3 3 。 端盖压紧搭扣副箱体 顶盖 主箱体压紧夹持器 图3 - 3 高低温试验箱的组成 高低温试验箱包括主箱体和可以自由拼接的三个副箱体，箱体间采用密封条 和压紧搭扣保证密封和连接可靠。主箱体上盖有顶盖，用压紧夹持器连接。顶盖 开有口子，用于换档器手柄杆伸出，并装保温橡胶皮老虎，使得换档器手柄在运 动时保持密封。拼接后最外侧的副箱体盖有端盖，上面开有通孔，用于换档器传 动机构穿过。此外，副箱体下面安装有滚轮和导轨，可自由移动。 高低温试验箱有以下优点：试验箱可根据被测换档器及其传动机构总成的长 短来拼接的高低温试验箱，简单方便，达到节能的效果。主箱体顶盖和副箱体端 盖的开口和密封设计，可使测试的运动机构和负载机构处于高低温试验箱以外， 简化了运动机构的设计难度。机构已经申请了实用新型专利，专利名称：多箱体 拼接的高低温试验箱，专利号：z l 一2 0 0 5 2 0 0 4 4 9 7 9 9 。 上海大学硕士学位论文 3 5 小结 本章简要介绍了与三轴联动机构密切相关的换档器安装夹具、阻尼机构以及 高低温试验箱的设计工作。换档器安装夹具和阻尼机构确保试验时被测换档器与 实际安装情况相符，同时阻尼机构还能模拟实际变速器对换档器的约束阻尼。高 低温试验箱则保证试验时换档器始终处于试验要求的温度环境下。三机构结构紧 凑，安装、调整方便，并且可以满足各类汽车换档器的安装要求。三者均已申请 专利。 1 9 上海大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章三轴联动机构的设计 三轴联动机构是对驾驶者的换档操作进行模拟的机构，本章根据换档器手柄 端部的运动与力学分析得到三轴联动机构的输出运动与输出力的变化规律，并在 此基础上完成对机构的结构设计与校核。 4 2 三轴联动机构的技术要求 根据不同类型换档器的试验内容，最终确立三轴联动机构的技术要求如下 并以此作为机构设计时的依据： 1 手柄端部换档选档方向的最大切向力：f = 5 0 0 n ； 2 换档选档方向的最高速度：v = 0 2 m s ； 。 3 换档选档方向的最大加减速度：a = l m s 2 ； 4 游隙：0 1 5 r a m ( 从一个方向进行定位) ； 5 定位精度：士0 3 r a m 1 0 0 0 m m ； 6 换档选档方向的最小进给量：s = 0 0 2 r a m 。 4 3 三轴联动机构的运动学和力学分析 4 3 1 三轴联动机构输出端的运动分析 三轴联动机构的输出端与被测换档器手柄端部固连，所以三轴联动机构输出 端的运动即换档器手柄端部运动。 在换档器支座滑槽形状的约束下，换档器手柄端部实际上是作特定的三维球 面运动。通常，按照换档器的操作习惯，换档动作在水平方向上被分解成换档和 选档两个正交操作，分别对应换档方向和选档方向。两种动作分别投影到x o z 上海大学硕士学位论文 与y o z 两平面内，得到图4 - 1 ： 辫一 x 换档方向( x 向)选档方向( y 向) 图4 1 换档器操作时手柄端运动的分解 由图4 - 1 可知，换档操作时x 、z 方向的位移变化x ( t ) ，z ( t ) 与手柄转角在 x o z 平面内的投影角的变化a ( t ) 之间的对应关系为： 厂“f ) = l c o s a o c o s a ( t ) 一1 】+ l s i n _ c x o s i n a ( t ) lz ( f ) = l s i n a o c o s a ( t ) 一l 】一l c o s 2 m m ：2 i ：a ? ：g ：2 删m 。t i ：a ? ：z 。l 一，记巴：p ，。口，。忙。q ，； 耻b 一号一并”。 耻只+ 气+ 等 ( 6 ) 上海大学硕上学位论文 匕( i _ 1 4 ) 加速运动时导轨滑块的横向负荷： ：1 = 一e p t a 4 = 一+ m m 2 i 象a x 屯2 + m m l 2 t a x = i ，记圪：既。，。忙，4 ，； 耻耻一一岢”。 减速运动时，有圪n = i 匕l + l 屹“( i - 1 4 ) 其中，匕( i - l q ) 减速运动时导轨滑块的径向负荷5 ，0 ( i - l 4 ) 减速运动时导轨滑块的横向负荷； 由于减速度与加速度大小相同，方向相反，所以匕= p ，( 一a ) ， = p ( - 4 ) 。 在进行寿命校核时，需要用到平均负荷。三轴联动机构工作时的负荷可 以看作是分等级变化的，平均负荷巳( 忙l 4 ) 可由下式计算： 其中，s 总行程； 墨、马加速、减速行程； 是匀速行程，s 2 = s - s l - s 3 。 ( 8 ) 根据实际直线导轨的使用条件，滑块间距：l o = 2 0 0 r a m ，i i = 3 0 0 r a m 。 s = 3 4 。删；墨= 墨= 丢i v 2 = 2 。历册；计算结果见表4 1 ： 表4 - 1 选档方向运动机构直线滑块的受力计算结果 受力等速时加速时减速时平均 ( n )径向 径向横向合成径向横向合成负荷 滑块 负荷p负荷p a负荷p t a负荷p e a负荷p d负荷p t d负荷p e d p m n o 14 7 5 95 1 4 01 2 1 07 3 5 03 3 7 8- 1 2 1 04 5 8 84 9 8 9 n o 29 6 92 3 5 01 2 1 03 5 ，6 04 1 21 2 1 01 6 2 21 2 8 1 n o 31 4 8 4 11 3 4 6 01 2 1 01 4 6 7 01 6 2 ，2 21 2 1 01 7 4 3 21 5 0 1 0 n o 42 0 5 6 92 1 9 5 01 2 1 0z 3 1 6 01 9 1 8 8- 1 2 1 03 1 2 8 82 1 6 9 5 上海大学硕士学位论文 滑块额定寿命可根据公式= ( z 广) 3 5 0 计算。 以t h k 公司产品1 1 ，h s r 2 5 t a 2 u u + 6 4 0 l 为例，其基本额定负荷： c = 1 9 9 k n 。 由于机构工作时振动冲击较小，速度为低速状态，故取负荷系数厶= 1 5 ，代入 计算后可得各滑块的额定寿命： 州壶3 x 5 0 = c 罴淼，x 5 0 = 9 4 x 1 0 5 砌 纠壶3 x 5 0 = c 罴普3 x 5 0 = 5 s x l 0 7 砌 纠矗，3x 5 0 = c 嵩羔，3 x 5 0 = 1 1 x 1 0 5 拥 纠壶3x 5 0 = c 器，3 x 5 0 = 1 1 x 1 0 4 砌 滚珠丝杠的选取与校核 滚珠丝杠也以t h k 公司的产品为例。 为满足定位精度要求，而- + 0 丽3 = + 矿0 0 9 0 ；可以选择c 7 精度级以上的滚珠l o o o3 0 0 丝杠。初定轴向间隙满足0 i o m m ，选择丝杠直径2 5 r a m 以下。 丝杠导程：，：axvx60lx02x600 0 0 4 研：4 肌柳： 3 0 0 0 由几何参数确定丝杠轴全长7 5 0 m m 。 为满足要求，选择丝杠螺母d i k 2 5 0 4 6 ，其基本额定负荷：c a = 5 7 k n ， c o 。= 1 5 o k n 额铸扯( 焘卜6 = ( 羔蒜 3 1 0 6 以2 枷8 例： 伺服电机的选取 电机功率的计算： 取传动效率玎= 0 9 ，则 只一生d ：一墅! ! 兰q ：! ：2 1 x 1 0 - ，k w 上海大学硕士学位论文 电机扭矩的计算： 卿负荷产生的观五= 筹小笔黑筹x l = 0 3 9 4 预压扭矩：五= o 。 加速扭矩：五= j c o 由于丝杠惯性矩j s = 3 0 1 1 0 。7 5 0 x 1 0 。= 2 2 6 x 1 0 - 4 k g m 2 ，为了 确保伺服系统的动态性能，电机惯性矩应与负载惯量相匹配1 2 州。根据实 际电机产品，取j s = 1 3 1 x 1 0 - 4 堙m 2 。 考虑单位的统一，计算得机构总的转动惯量： ，= ( m i + m 2 ，( 刳2 a 2 1 0 - 6 + o r s + j a a 2 + o r b = 3 7 3 x 1 0 - 4 k g m 2 角加速度为国= 警= 等6 00 2 = 1 5 7 0 8 小2 ；6 m 故而，有兀= j = 0 5 9 n m 由此，电机扭矩可得： 等速时，正= 五+ 疋= 0 4 n m ； 加速时，瓦= z + 正= 0 4 + 0 5 9 = 1 0 n m 。 实际选择了松下交流伺服电机m s m a 0 8 z a l e ，其具体参数见表4 - 2 。经 过校核，可以满足使用要求。 表4 2 伺服申机的性能参数 3 l 上海大学硕士学位论文 4 4 3 换档方向运动机构的设计 类似于选档方向运动机构的结构设计，参照之前的受力分析与行程要求确定 和校核滚珠丝杠与直线导轨。只是设计时故意加大换档方向的正向行程，使得在 测试员在安装换档器的过程中，三轴联动机构停放在测试员作业范围之外，不干 扰其工作。换档方向运动机构的组成见图4 6 。 联轴器传动箱挂角与端盖 图4 - 6 换档方向运动机构 换档运动机构运动时，要考虑、m ：、m ，的综合作用。理论推导与选档机 构分析相似，不再复述。实际对滑块寿命进行校核计算时，按照选档运动机构移 动至最大行程处进行分析计算。换档运动机构的各项技术参数见表4 3 。 表4 3 换档方向运动机构的技术参数 项目技术参数 直线导轨最大行程：8 0 0 r a m ；总跃：1 2 0 0 r a m 。 滚珠丝杠定位精度：士0 3 m m 1 0 0 0 m m ； 总长：1 0 1 0 m m ； 加速度：+ l m s 2 ：速度：0 2 m s ： 最小进给量：剐0 2 m m 。 伺服电机 额定功率：0 7 5 k w ； 额定转矩：2 4 n m ；最大转矩7 1 n m 额定转速：3 0 0 0 r m i n 4 4 4 手柄抓手的设计 换档器手柄抓手的结构如图4 7 。其